CN112034696B - 用于集成光学原子传感器的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明题为“用于集成光学原子传感器的系统和方法”。本发明提供了用于集成光学原子传感器的系统和方法。在一个实施方案中，光学原子传感器包括：第一光子集成电路和第二光子集成电路以及定位在光子集成电路之间并且粘结到光子集成电路的原子捕集室，其中集成电路彼此平行对准；以及原子蒸气，原子蒸气密封在所述室内；其中第一光子集成电路和第二光子集成电路各自包括：多个光栅发射器，多个光栅发射器被制造到第一光子集成电路波导和第二光子集成电路波导的相应表面中，第一光子集成电路波导和所述第二光子集成电路波导被配置为将来自激光光源的激光耦合到光栅发射器；其中至少一组光栅发射器被布置成以一定样式将激光束发射到室中，样式被构造成冷却蒸气并产生至少一个原子捕集器；其中光栅发射器还包括被配置为将激光探头发射到蒸气中的至少一个光栅发射器。
Description
背景技术
目前，本领域中的光学原子传感器利用在经激光冷却的原子的集合中发生的原子跃迁，以便实现仪器诸如用于感测和测量惯性力的惯性传感器，或仪器诸如用于测量局部时间流逝的时钟。通过使用在光学频率范围内的激光操作，此类传感器在精度和准确性方面表现出显著的性能飞跃，其可能在导航、通信或利用这些传感器的其他设备中提供相应的益处。然而，在充分利用此类传感器的潜力方面存在障碍，并且在大规模生产方面存在挑战。例如，光学原子传感器需要许多激光束在包含原子蒸气的超高真空室内彼此精确相交。激光束的参数(诸如高斯参数(腰位置和发散角))和偏振需要在许多不同光束之间精确匹配。目前，这些对准和参数在实验室环境中使用块状光学部件(例如，透镜、反射镜、偏振器、其他自由空间光学元件等)来实现，这些块状光学部件的尺寸相对较大并且需要系统的每个部件的繁琐且耗时的对准。因此，在适应和缩放这些传感器以用于紧凑批量生产的装置方面仍存在挑战。
出于上述原因以及对于本领域技术人员在阅读和理解说明书后将变得显而易见的下述其他原因，本领域需要用于集成光学原子传感器的系统和方法。
发明内容
本公开的实施方案提供了用于集成光学原子传感器的方法和系统，并且将通过阅读和研究以下说明书来理解。
在一个实施方案中，光学原子传感器包括：第一光子集成电路；第二光子集成电路；和原子捕集室，该原子捕集室定位在第一光子集成电路和第二光子集成电路之间并且粘结到第一光子集成电路和第二光子集成电路，其中第一光子集成电路和第二光子集成电路彼此平行对准；以及原子蒸气样品，该原子蒸气样品密封在原子捕集室内；其中第一光子集成电路和第二光子集成电路各自包括：多个光栅发射器，该多个光栅发射器被制造到第一光子集成电路和第二光子集成电路的相应表面中；波导系统，该波导系统被配置为将来自一个或多个激光光源的激光耦合到该多个光栅发射器；其中至少一组多个光栅发射器被布置成以一定样式将激光束发射到原子捕集室中，该样式被构造成冷却原子蒸气并在该室内产生至少一个原子捕集器；其中该多个光栅发射器还包括被配置为将激光探头发射到原子蒸气中的至少一个光栅发射器。
附图说明
当考虑到优选实施方案的描述和以下附图时，本公开的实施方案可以更容易理解，并且其进一步的优点和用途更加显而易见，在附图中：
图1和图1A是本公开的一个实施方案的光学原子传感器的示意图；
图2是示出光栅发射器120和波导在光学原子传感器的光子集成电路上的示例性布置的示意图；
图3是示出本公开的一个实施方案的激光光源与光学原子传感器的组合的示意图；
图4是示出用于本公开的一个实施方案的光学原子传感器的原子捕集器的具体实施的示例的示意图；
图5是示出用于本公开的一个实施方案的光学原子传感器的多个重叠原子捕集器的具体实施的示例的示意图；
图6是示出用于本公开的一个实施方案的光学原子传感器的多个重叠原子捕集器的另一个具体实施的示例的示意图；并且
图7是示出与本公开的一个实施方案的光学原子传感器结合的具有控件、光源和检测部件的示例性系统实施方案的示意图。
根据惯例，所描述的各种特征部未必按比例绘制，而是用于强调与本公开相关的特征部。参考字符在所有图和文本中表示类似的元件。
具体实施方式
在以下详细描述中，参考形成其一部分的附图，并且在附图中通过可以实践这些实施方案的具体说明性实施方案的方式来示出。对这些实施方案进行了足够详细的描述，以使本领域技术人员能够实践这些实施方案，并且应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用其他实施方案，并且可以作出逻辑改变、机械改变和电气改变。因此，以下详细描述不应被视为具有限制意义。
本公开的实施方案提供了利用集成到光子集成电路(PIC)中的多个光栅发射器的紧凑光学原子传感器。光栅发射器将多个激光束发射到自由空间真空室中，其中这些光束通过光子集成电路上光栅发射器的结构和布置精确对准。所得的传感器稳固、小巧且易于制造，因为光栅发射器通过其制造使其光学参数(诸如光束偏振、发散和指向)固定。如下文进一步讨论的，本文所述的实施方案还提供了可产生偶极捕集器的传感器，该偶极捕集器包括真空室内的两个准确重叠的原子捕集器。
图1是示出本公开的一个实施方案的光学原子传感器100的示意图。如图1所示，光学原子传感器包括彼此平行对准的第一光子集成电路110和第二光子集成电路112，以及定位在第一光子集成电路110和第二光子集成电路112之间的原子捕集室114。图1A是光学原子传感器100的局部分解图，其中第一光子集成电路110被拉开以显示原子捕集室114的内部。在一些实施方案中，第一光子集成电路110的下表面的一部分限定暴露于原子捕集室114的内部的第一壁116，而第二光子集成电路112的上表面的一部分限定暴露于原子捕集室114的内部的相对的第二壁118。原子捕集室114可通过粘结材料固定到第一光子集成电路110和第二光子集成电路112。
原子捕集室114包括含有原子蒸气的超高真空室。在操作中，原子蒸气由从第一光子集成电路110和第二光子集成电路112发射的激光进行激光冷却(如下文进一步讨论)，以在原子捕集室114的中心处形成经激光冷却的原子105的样品。被选择用于装载到室114中的特定原子105将基于所得传感器旨在感测的特定参数。该选择可由已研究本公开的本领域的普通技术人员容易地确定。在另选的实施方案中，原子蒸气可包括原子，诸如但不限于铯、锶、镱或铷。一般来讲，可在室114内利用本领域技术人员已知的具有循环跃迁状态并且可通过施加激光和磁场的组合而被捕集和冷却的原子105的任何样品。
在本公开的实施方案中，第一光子集成电路110和第二光子集成电路112各自包括将激光发射到原子捕集室114中的多个光栅发射器120，诸如图2所示的光栅发射器120的示例性图案。具体地讲，光栅发射器120的第一图案布置在限定第一壁116的第一光子集成电路110的表面上，并且光栅发射器120的协调第二图案布置在限定第二壁118的第二光子集成电路110的表面上，以便将激光从相反方向发射到原子捕集室114中。在本公开的实施方案中，第一光子集成电路110和第二光子集成电路112上的这些光栅发射器120递送实现收集、冷却以及捕集原子蒸气所需的所有激光以在原子捕集室114的中心处形成经激光冷却的原子105的样品，并且用于探测经激光冷却的原子样品的状态以便导出传感器测量结果。在一些实施方案中，光栅发射器120是制造到第一光子集成电路110和第二光子集成电路112的表面中的光刻图案化衍射光栅。在一些实施方案中，光栅发射器120光刻图案化到第一光子集成电路110和第二光子集成电路112上的一个或多个薄膜材料层上，诸如氮化硅薄膜层。光栅发射器120可为第一光子集成电路110和第二光子集成电路112上的布置的图案，以便在室114内产生至少一个原子捕集器，但也可用于在室114内产生不同类型的多个重叠原子捕集器。
激光经由在第一光子集成电路110和第二光子集成电路112中的每个内制造的波导电路122的系统被递送到光栅发射器120。这样，光栅发射器120可各自被认为是将光束从波导模式转换为自由空间行进模式的无源光学模式转换器的形式。光栅发射器120以限定的方向、高斯腰参数和偏振将激光束从波导122引导到自由空间中，以实现传感器100的关键正常功能。与使用块状光学器件实现的这些参数相反，这些参数反而由构成波导122和光栅发射器120的光刻图案建立。因此，在批量生产期间，这些参数各部分之间可高度再现。
如图3所示，在一些实施方案中，可在芯片上制造生成由波导122承载到光栅发射器120的激光的一个或多个激光光源130。即，激光光源130可以是制造到第一光子集成电路110和第二光子集成电路112中或其上的激光装置，并且将激光直接馈送到馈送光栅发射器120的波导122中。在另一个实施方案中，激光光源130可以是芯片外激光装置(如135处示出)，并且这些激光装置的激光输出耦合到第一光子集成电路110和第二光子集成电路112的波导122中。根据原子105的特定应用和选择，发射到室114(138处示出)中的激光的特定波长和不同波长的数量将变化。因此，激光光源130的数量及其发射的波长被相应地选择。例如，为了冷却和捕集原子样品105，由激光源130生成的激光波长可匹配原子样品中需要冷却的特定原子的跃迁频率特性。为了探测的目的，在一些实施方案中，由激光源130生成的至少一个激光波长可以是可调节的，以大致匹配原子样品中的原子的能量间隙。应当理解，激光束的波长和频率的参数按照定义为用于表征该光束的颜色的反比参数。
图4是示出生成保持原子样品105的一种形式的原子捕集器140的传感器100的示例性实施方案的示意图。在该实施方案中，光栅发射器120以三个发射器的协调图案布置在第一光子集成电路110和第二光子集成电路112中的每一者上，如大体在410和430处所示。在该实施方案中，对于用于在光子集成电路中的一个上捕获原子的每个光栅发射器120，在另一个光子集成电路上存在互补的光栅发射器120，该互补的光栅发射器被布置成使得两个光栅发射器将激光束138直接引导向彼此。这两个光栅发射器120(在本文中可统称为一组“捕集发射器对”)被布置为将其发射的光直接瞄准彼此，并且使得其相应激光束均穿过被捕集的原子蒸气105云的中心。在该实施方案中，使用被布置成产生相互正交的激光束138的多组捕获发射器对来实现原子捕集器140。例如，用于三组捕获发射器对的光栅发射器120可被布置成某种图案，诸如以轴线440为中心的具有均匀半径的圆形，该轴线440沿着通常称为“[111]”配置的假想立方体的边缘穿过被捕集的原子云的位置。例如，对于室114，其中发射激光的这些侧面116、118彼此之间的距离等于捕集发射器对的圆形图案的直径，54.7度的发射角度将导致六个激光束中的每一个在正交配置中在被捕集的原子样品的中心处相交。在如下所述的一些实施方案中，另一种形式的原子捕集器140(诸如被称为光学偶极或光学偶极晶格捕集器的捕集器)可由单组捕集发射器对形成，该单组捕集发射器对各自被制造成将光束以相对于其相应光子集成电路110、112的平面成90度的角度发射到室114中。
如上所述，在一些实施方案中，可使用不同波长的多个激光束在室内实施原子冷却和捕集。可选择不同波长以与原子蒸气的不同原子跃迁水平对准，或出于其他原因，诸如在室114内产生多个捕集器140。在利用多个激光波长的一些实施方案中，相同的光栅发射器120可用于发射不同波长中的每个波长的光。通过定制光栅发射器120的参数，诸如构成光栅发射器120的图案化特征的周期、间距和占空比，具有不同波长的激光束可以相对于其相应光子集成电路110、112的平面以相同的角度发射。例如，通过设计要由波导122从光子集成电路110、112上的非平行方向馈送的光栅发射器120，并且通过定制构成光栅发射器120的图案化特征部的形状，可使激光138的两个不同波长以相同的角度方向从相同的光栅发射器120发射。此类光栅发射器可被称为“自由空间波长多路复用器光栅发射器”，这是在单个波长发射器上的进步，因为需要在光子集成电路上制造更少的发射器。由一个发射器发射的多个光束重叠并共传播，这些光束间没有角度。此类配置对于一些种类的原子传感器(诸如时钟和陀螺仪)是有利的。
在一些实施方案中，可能期望从不同方向将光的不同波长发射到原子样品105中，而不是从相同方向将激光的多个波长瞄准捕集器140。因此，在一些实施方案中，可使用附加光栅发射器120来形成一组捕获发射器对的附加实例。例如，可使用图4中所示类型的多组三个捕集发射器对来投射相互正交的多组激光束的多个实例。
许多冷原子传感器利用两个或更多个重叠原子捕集器来起作用。例如，为了产生冷原子传感器100以用作一种特定类型的经激光冷却的锶光学晶格时钟，其为另一种类型的原子捕集器140，其中实施所谓的两级磁光捕集器(“MOT”)140。在此类设备中，来自12个光栅发射器120的12个激光束138在原子样品105处以直角相交以产生两个重叠的MOT。重要的是，这些重叠捕集器可由具有显著不同波长(诸如461nm和689nm)的激光束形成。无论是使用单波长发射器还是使用双波长发射器，通过将光栅发射器120布置成图案(诸如，以沿着[111]立方体构型的边缘穿过被捕集的原子云的位置的轴线为中心的具有均匀半径的圆)，可以在室114中的相同位置处制作一个或多个MOT。
此外，在一些实施方案中，通过定制光栅发射器120中光刻图案化特征的形状、尺寸和间距，可使发射的激光束138以准直的方式分散、会聚或行进。例如，从6个光栅发射器120发射的6个光束(例如，被布置为三个捕获发射器对的两个实例)可各自为半径为4mm的准直光束；6个其他光束可具有2mm的半径，但所有12个光束在相同的区域中相交。这在使用块状光学器件时将是高度具有挑战性的，因为每个光束将需要穿过一个或多个不同的块状光学器件，并且那些光学器件可占据相当大的体积并且还可在定位在室114附近时彼此干扰。应当理解，光子集成电路110、112可包括附加光栅发射器120，这些附加光栅发射器可以不干扰捕集激光束的任何所需角度(例如，不沿着[111]角度)发射其他光束，并且可位于光子集成电路110、112上的其他方便位置处。附加光栅发射器120不需要被布置为发射器对，并且可实现其他功能，诸如发射可用于冷原子传感器的重新抽运光束或探测光束。
在一些实施方案中，每个光栅发射器120可馈送有一个或多个波导122，该一个或多个波导承载与其他光栅发射器120可能不同的一个或多个波长。这样，多种波长和高斯光束参数的许多大光束或小光束可全部被引导并聚焦到原子捕集室114中，并且聚焦到原子样品105中而无需体反射镜或透镜。这使得传感器100的指向和聚焦稳健以抵抗可导致块状元件移出适当位置的冲击、振动或热偏移。
在实现如图4所述的原子捕集器140配置的一些实施方案中，用于冷却和捕集的发射光束中的每个被圆偏振。该偏振可以通过定制构成光栅发射器120(和/或馈送那些发射器120的波导120)的结构来实现，以产生线性、椭圆形或圆形偏振，并且可以针对任何发射波长这样做。这样，在原子捕集器140中使用的许多光束可具有定制的偏振而不使用体波片或延迟器。这还使得偏振稳健以抵抗可导致块状元件改变其偏振特性的冲击、振动或热偏移。
在一些实施方案中，传感器100可用于实现第三种不同类型的捕集器，该捕集器与原子捕集室114内的一个或多个原子捕集器140重叠。此类具体实施的一个示例将用于锶光学晶格时钟。例如，在诸如图5所示的一个实施方案中，在原子捕集室114内，一维或三维光学偶极晶格捕集器540与三正交轴原子捕集器140(诸如图4所示)重叠。光学偶极晶格捕集器540由光栅发射器120(在图5中520处示出)产生，该光栅发射器被构造为将激光束从第一光子集成电路110发射到室114中以产生光束148，该光束148在第二光子集成电路112的表面118处以半球形谐振器空间光学模式表现出高斯腰，其中干涉条纹存在于三正交轴原子捕集器140中。对于实现光学偶极晶格捕集器的一些实施方案，探测光束(其具有与形成光学偶极晶格捕集器540的一个或多个光束不同波长的激光)可从位于光子集成电路110上的晶格(偶极)光束的腰处的光栅发射器120发射。光栅发射器120可包括光学涂层，该光学涂层以晶格(偶极)激光束的波长反射，但以探测光束的波长透射，使得探测光束沿晶格(偶极)捕集器的轴线传播，从而探测被捕集的原子。
在图6所示的光学偶极实施方案的一个变型中，发射两个激光束，一个来自第一光子集成电路110的光栅发射器120(在图6中620处示出)，一个来自第二光子集成电路112的光栅发射器120(在图6中622处示出)。这两个光栅发射器620、622中的每个光栅发射器被构造成发射激光束，该激光束在三正交轴原子捕集器140的位置处以共焦谐振器空间光学模式表现出高斯腰，其中干涉条纹存在于三正交轴原子捕集器140中。在一些实施方案中，两个光栅发射器620、622可被认为形成单组捕获发射器对(诸如先前所述)，每个捕获发射器对被制造成相对于其相应光子集成电路110、112的平面以90度的角度(或其他一组补充角度)将光束发射到室114中。利用以这种方式形成的三正交轴原子捕集器140和光学偶极晶格捕集器640，凭借光子集成电路110、112上的多个光栅发射器120的布置和设计来保证重叠。因此，该配置允许各种捕集器保持良好地对准，使得原子传感器100的性能最佳。
如图7中的系统700所示，对于本文所公开的任何不同实施方案和具体实施，可以各种方式实现对从光栅发射器120发射的光束138的控制。例如，在一些实施方案中，传感器100可包括或以其他方式联接到控制电路750以控制进入室114的光束138的各个方面。例如，在一些实施方案中，控制电路150可控制激光光源130或135中的一者或多者的操作，以便使光输出循环打开和关闭，或者控制由激光光源140生成的光的波长。在一些实施方案中，控制器750还可操作光学控制元件，诸如快门752或调制器754(其在一些实施方案中可被制造到光子集成电路110、112中或其上)。通过控制进入室114的激光束，控制器750可通过原子跃迁循环被捕集的原子并且在捕集状态和探测状态之间循环传感器100。在一些实施方案中，控制器750可循环激光束，使得不同波长的光束在不同时间发射到室114中。
在一些实施方案中，传感器100在控制器750的控制下在捕集模式和探测模式之间循环。正是在探测期间，通过从光栅发射器120发射激光束来测量原子样品的特性。因此，在一些实施方案中，传感器100还可包括至少一个光学检测器760(其在一些实施方案中可被制造到光子集成电路110、112中或其上)以从室114内捕获测量结果或图像。然后可将光学检测器760的输出提供回控制器750或其他装置以进行处理。
例如，为了实现来自传感器100的时钟，在一个实施方案中，用于探测的激光束的频率由控制器750调节以匹配构成原子云105的原子的对应能量间隙。能量间隙具有与其相关联的不变频率，该不变频率与原子间隙的能量成比例。激光束由光栅发射器120引导通过原子云105并在另一侧(例如，由光学检测器760)测量，并且用于伺服控制产生激光束的光源130、135。当激光的频率被调节成使得其匹配原子的能量间隙的频率时，由于光的百分比被原子云吸收，将观察到穿过云105的光量的最小值。然后，激光的频率可用于准确测量时间的目的。
为了实现惯性传感器，诸如加速度计或陀螺仪，传感器100的操作基本上类似。差值将是在捕集激光束被循环关闭时通过探测激光束测量原子云105的什么特性或状态。例如，对于加速度计，一旦捕集器140关闭，由于传感器100的线性加速，原子将随着其“下落”或在室114内偏移而在位置上移位。探测激光束穿过原子云105，并且检测器760读取原子条纹或干涉图案以基于原子的量子特性来表征原子的运动。对于测量轴向旋转的陀螺仪传感器，6个正交激光束从光栅发射器120发射到室114中。原子云105的原子对于此类实施方案通常为碱金属原子，并且可包括铷或铯原子。在一个实施方案中，激光冷却使云105的原子冷却至大约1微开尔文的温度。一旦被冷却，冷原子云105就被释放到光学晶格中并且经受来自光栅发射器120的光学脉冲以形成惯性传感器。在原子云105冷却之后，将偏移频率的干涉激光束施加到室114中。在所得的激光强度最高的情况下，光学晶格为原子产生能量/势阱。通过略微失谐两个干涉激光束的相对频率差以形成该光学晶格，晶格开始移动并且晶格电势的各种波腹中捕集的原子将开始随该晶格加速。在操作光学晶格时，选择其中产生干涉仪分离波函数路径的平面，并且该平面将垂直于旋转轴线，期望沿该旋转轴线进行旋转感测。两个波函数路径将到达重组点，并且可使用来自光栅发射器120的激光束探测重组光束，并且由检测器760读出以获得原子相位测量结果，如果干涉仪分离波函数路径，则该原子相位测量结果将表示相对于垂直于平面的轴线的旋转分量。关于此类原子陀螺仪的具体实施的更多细节可见于2017年1月1日提交的标题为“FULLY RECIPROCAL ATOMICINTERFEROMETRIC GYROSCOPES”的美国专利申请No.15/418,990中，该专利申请全文以引用方式并入本文。
除了上述操作优点之外，传感器100的结构还有助于装置制造的效率。例如，在制造工艺的一个实施方案中，光子集成电路110、112的对准可通过从光子集成电路中的一个上的光栅发射器120发射光束并测量在光子集成电路中的另一个上的对应光栅发射器120处接收的光束的功率来实现。例如，光子集成电路110可由拾取-放置定位器保持，而光子集成电路120在光学检测器的歧管中保持。当检测到光学功率强度最大值时，这两个光子集成电路110、112对准并且可粘合在室114的壁的适当位置。在一个实施方案中，这两个光子集成电路110、112(其可具有不同的设计)在对准过程中相对于彼此对准。光子集成电路110、112位于室114的任一侧上。这两个光子集成电路110、112的对准通过使来自光子集成电路110上的光栅发射器120的光耦合到光子集成电路112上的光栅发射器120(其现在充当“接收器”)中来实现。通过调节光子集成电路110、112中的每个的x、y、z位置以及俯仰角、横摆角和偏航角，可将从发射光的一个发射器耦合到另一个光子集成电路上的接收光的该发射器的配对发射器的光量最大化。通过光栅发射器120在每个光子集成电路110、112上的对称布置，这确保了正常形成[1，1，1]MOT 140或其他MOT 140的交叉区域，不需要检查硬件来测量光束参数的量，而仅仅是容易测量的内耦合功率的量。在一些实施方案中，交叉耦合的功率可以两种方式最大化。这样，可在制造期间以实时反馈来完成对准。一旦确定耦合最大，光子集成电路110、112就永久性地粘结到室114的相对侧(例如，经由与真空室的玻璃壁的光学接触，或与真空室可插入其中的中空间隔件的光学接触)。从两个光子集成电路110、112发射的MOT光束的光束重叠区域因此被限定，而不需要可调节的块状光学器件。这产生光学原子传感器100，其中光学系统可首先针对性能进行优化，然后被锁定以使传感器稳健。
示例性实施方案
实例1包括光学原子传感器，该传感器包括：第一光子集成电路；第二光子集成电路；和原子捕集室，该原子捕集室定位在第一光子集成电路和第二光子集成电路之间并且粘结到第一光子集成电路和第二光子集成电路，其中第一光子集成电路和第二光子集成电路彼此平行对准；以及原子蒸气样品，该原子蒸气样品密封在原子捕集室内；其中第一光子集成电路和第二光子集成电路各自包括：多个光栅发射器，该多个光栅发射器被制造到第一光子集成电路和第二光子集成电路的相应表面中；波导系统，该波导系统被配置为将来自一个或多个激光光源的激光耦合到该多个光栅发射器；其中至少一组多个光栅发射器被布置成以一定样式将激光束发射到原子捕集室中，该样式被构造成冷却原子蒸气并在该室内产生至少一个原子捕集器；其中该多个光栅发射器还包括被配置为将激光探头发射到原子蒸气中的至少一个光栅发射器。
实施例2包括根据实施例1所述的传感器，其中激光束以由各个光栅发射器的结构限定的角度从波导系统被引导到原子捕集室内的自由空间中。
实施例3包括根据实施例2所述的传感器，其中波导系统和各个光栅发射器中的一者或两者被配置为控制激光束的高斯腰参数或偏振。
实施例4包括实施例1至3中任一项所述的传感器，其中一个或多个激光光源中的至少一者是制造到第一光子集成电路或第二光子集成电路中的装置。
实施例5包括根据实施例1至4中任一项所述的传感器，其中原子捕集室包括超高真空室。
实施例6包括根据实施例1至5中任一项所述的系统，其中原子蒸气包括具有循环跃迁状态的原子，并且其特征在于其可使用激光进行冷却和捕集的特性。
实施例7包括根据实施例6所述的系统，其中原子蒸气包含铯、锶、镱或铷中的一者。
实施例8包括根据实施例1至7中任一项所述的传感器，其中对于第一光子集成电路上的多个光栅发射器中的每个，在第二光子集成电路上的多个光栅发射器中存在互补光栅发射器限定一组捕集发射器对，其中该组捕集发射器对被布置成瞄准其直接发射在彼此处的相应激光束，并且使得其相应激光束均穿过至少一个原子捕集器的中心。
实施例9包括根据实施例1至8中任一项所述的传感器，其中室内的至少一个原子捕集器包括三正交轴原子捕集器、光学偶极晶格捕集器或三正交轴原子捕集器和光学偶极晶格捕集器的组合。
实施例10包括根据实施例9所述的传感器，其中光学偶极晶格捕集器由第一光栅发射器生成，该第一光栅发射器被构造成将激光束从第一光子集成电路发射到原子捕集室中，使得该激光束在第二光子集成电路的表面处以半球形谐振器空间光学模式表现出高斯腰，其中干涉条纹存在于也形成在原子捕集室内的磁光捕集器中。
实施例11包括根据实施例9至10中任一项所述的传感器，其中光偶极晶格陷阱由第一光子集成电路上的第一光栅发射器和来自第二光子集成电路的第二光栅发射器生成，其中第一光栅发射器和第二光栅发射器中的每一者被构造成发射激光束，该激光束在也形成在原子捕集室内的磁光捕集器的位置处以共焦谐振器空间光学模式表现出高斯腰，其中干涉条纹存在于磁光捕集器中。
实施例12包括根据实施例9至11中任一项所述的传感器，其中三正交轴原子捕集器使用第一多组三个捕集发射器对在原子捕集室中实现，该第一多组三个捕集发射器对被布置成发射相互正交的多组激光束，其中捕集发射器对中的每对被布置成瞄准其直接发射在彼此处的相应激光束，并且使得其相应激光束均穿过第一原子捕集器的中心。
实施例13包括根据实施例1至12中任一项所述的传感器，其中第一组多个光栅发射器透射第一波长的激光束，并且第二组多个光栅发射器透射第二波长的激光束，其中第一波长不同于第二波长；其中第一组多个光栅发射器和第二组多个光栅发射器被构造成投射第一波长的激光束和第二波长的激光束以在室内的至少一个原子捕集器的中心处相交。
实施例14包括根据实施例1至13中任一项所述的传感器，其中对于第一组多个光栅发射器，光栅发射器中的每一个接收来自波导系统的第一波长的激光和来自波导系统的第二波长的激光，其中第一波长不同于第二波长；其中所述第一组多个光栅发射器中的每一个被构造成投射第一波长的激光束和第二波长的激光束以在室内的至少一个原子捕集器的中心处相交。
实施例15包括光学原子传感器系统，该传感器包括：光学原子传感器；至少一个激光光源，该至少一个激光光源耦合到光学原子传感器；控制电路，该控制电路联接到该光学原子传感器和该至少一个激光光源；其中该光学原子传感器包括：第一光子集成电路；第二光子集成电路；和原子捕集室，该原子捕集室定位在第一光子集成电路和第二光子集成电路之间并且粘结到第一光子集成电路和第二光子集成电路，其中第一光子集成电路和第二光子集成电路彼此平行对准；以及原子蒸气样品，该原子蒸气样品密封在原子捕集室内；其中第一光子集成电路和第二光子集成电路各自包括：多个光栅发射器，该多个光栅发射器被制造到第一光子集成电路和第二光子集成电路的相应表面中；波导系统，所述波导系统耦合至所述至少一个激光光源并且被配置为将激光耦合至所述多个光栅发射器；其中至少一组多个光栅发射器被布置成以一定样式将激光束发射到原子捕集室中，该样式被构造成冷却原子蒸气并在该室内产生至少一个原子捕集器；其中该多个光栅发射器还包括被配置为将激光探头发射到原子蒸气中的至少一个光栅发射器。
实施例16包括根据实施例15所述的系统，其中控制电路控制以下中的至少一者：一个或多个激光光源的输出的循环；或该一个或多个激光光源的输出的波长。
实施例17包括根据实施例15至16中任一项所述的系统，其中光学原子传感器还包括：至少一个光学快门，该至少一个光学快门被制造到第一光子集成电路或第二光子集成电路中；或至少一个光学调制器，该光学调制器被制造到第一光子集成电路或第二光子集成电路中；其中控制电路控制该至少一个光学快门或该至少一个光学调制器的操作。
实施例18包括根据实施例15至17中任一项所述的系统，其中光学原子传感器还包括至少一个光学检测器，该至少一个光学检测器被定位成接收由多个光栅发射器中的第一光栅发射器发射的探测激光束，其中该探测激光束穿过原子蒸气样品；其中控制电路响应于来自该至少一个光学检测器的测量信号来控制激光束。
实施例19包括根据实施例15至18中任一项所述的系统，其中激光束以由各个光栅发射器的结构限定的角度从波导系统被引导到原子捕集室内的自由空间中。
实施例20包括根据实施例15至19中任一项所述的系统，其中室内的至少一个原子捕集器包括三正交轴原子捕集器、光学偶极晶格捕集器或至少一个三正交轴原子捕集器和光学偶极晶格捕集器的组合。
尽管本文已说明和描述了特定实施方案，但本领域的普通技术人员将认识到，经计算以实现相同目的的任何布置可替代所展示的特定实施方案。本申请旨在覆盖所提出的实施方案的任何修改或变型。因此，显而易见的是，实施方案仅受权利要求书及其等同物所限制。
Claims (3)
1.一种光学原子传感器(100)，所述传感器(100)包括：
第一光子集成电路(110)；
第二光子集成电路(112)；
原子捕集室(114)，所述原子捕集室(114)定位在所述第一光子集成电路(110)和所述第二光子集成电路(112)之间，并且粘结到所述第一光子集成电路(110)和所述第二光子集成电路(112)，其中所述第一光子集成电路(110)和所述第二光子集成电路(112)彼此平行对准；和
原子蒸气样品(105)，所述原子蒸气样品(105)密封在所述原子捕集室(114)内；
其中所述第一光子集成电路(110)和所述第二光子集成电路(112)各自包括：
多个光栅发射器(120)，所述多个光栅发射器(120)被制造到所述第一光子集成电路(110)和所述第二光子集成电路(112)的相应表面中；
波导(122)系统，所述波导(122)系统被配置为将来自一个或多个激光光源的激光耦合到所述多个光栅发射器(120)；
其中将第一光子集成电路(110)和第二光子集成电路(112)上的每个上的至少一组所述多个光栅发射器(120)被布置成以一定样式将激光束(138)发射到所述原子捕集室(114)中，所述样式被构造成冷却所述原子蒸气样品(105)并在所述原子捕集室(114)内产生至少一个原子捕集器(140)；
其中在第一光子集成电路(110)和第二光子集成电路(112)二者上的所述多个光栅发射器(120)还包括被配置为将激光探头发射到所述原子蒸气样品(105)中的至少一个光栅发射器(120)。
2.根据权利要求1所述的光学原子传感器(100)，其中所述激光束(138)以由各个光栅发射器(120)的结构限定的角度从所述波导(122)系统被引导到所述原子捕集室(114)内的自由空间中。
3.根据权利要求1所述的光学原子传感器(100)，其中所述室内的所述至少一个原子捕集器(140)包括三正交轴原子捕集器(140)、光学偶极晶格捕集器或三正交轴原子捕集器(140)和光学偶极晶格捕集器的组合。
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